FACULTAD DE INGENIERIADepartamento de Ingeniera MecnicaUnidad de Educacin ContinuadaUNIVERSIDADNACIONALDE COLOMBIA___________________________________________Sede BogotHECTOR HERNANDEZ A.

1.bin

COSTOS.

TIPOS DE CALDERAS.

ANTECEDENTES.

EXAMEN VISUAL

FALLAS: - Errores de Diseo.

- Defectos en la Fabricacin. - Materiales No Adecuados. - Operaciones Inapropiadas.

En una caldera, se transfiere la energa trmica de un combustible al agua a travs de la pared deun tubo de acero para generar vapor o vapor sobrecalentado. La transferencia de calor en estado estacionario se puede expresar como:Donde: Q/A = flujo de calor por unidad de rea exterior (BTU/h) DT = diferencia de temperatura que conduce el flujo de calor (F) SR = Suma de las resistencias al flujo de calorLa resistencia trmica individual desde los gases de combustin al vapor, para un sobrecalentador o recalentador son dadas por: AguaGases de combustin

Lado de gases: Pared de tubo: Depsito en pared interna: Lado de vapor:

FALLAS POR TEMPERATURA.

FALLAS POR ESFUERZOS.

Representacin esquemtica del perfil de temperatura. (a) sin depsito (b) con depsito de xido en la pared interior de tubo. Los depsitos en la pared interior de un tubo tienen como consecuencia un aumento de la temperatura del metal.

DepsitoGases de combustinGases de combustinMetal de tuboMetal de tuboVaporVapor(b)(a)

Aumento de temperatura del metal contra espesor de depsito en lado de agua de tubos.

Grietas y rotura longitudinal en tubo de sobrecalentador

Donde S = esfuerzo circunferencial, psi P = presin interna, psi D = dimetro exterior, pulgadas W = espesor, pulgadas

Expansin y rotura de labio delgado. (a) Adelgazamiento del espesor de pared en un de sus extremos. (b) Rotura en forma de boca de pescado, con un intenso flujo plstico y bordes delgados.(a)(b)

Variacin de la temperatura del fluido y de la temperatura del metal del tubo cuando se calienta agua a travs del punto de ebullicin, con flujo de calor bajo, moderado y alto.

Representacin esquemtica del perfil de temperatura. (a) sin depsito (b) con depsito de xido en la pared interior de tubo. Los depsitos en la pared interior de un tubo tienen como consecuencia un aumento de la temperatura del metal.

Deformacin plstica del material a una temperatura elevada y con un esfuerzo menor que el correspondiente esfuerzo de fluencia (creep).(a)(b)

Rotura de labio grueso

Dao microestructural por creep. (a) Vacios en lmites de grano, (b) Agrietamiento intergranular, 500X.

Dao microestructural por creep. (a) 200X, (b) 500X.Se observa una matriz ferritica con distribucin de perlita tipo globular y precipitacin de carburos hacia los lmites de grano.(a)(b)

Seccin longitudinal de un tubo de sobrecalentador (SA 209 T). Las particulas de grafito formaron una linea (cadena de grafito) debilitando el material.

Parmetro de Larson-Miller para acero SA-213 T-22. Conociendo dos de los tres factores que afectan la rotura por creep se puede estimar el tercer factor.

Donde S = esfuerzo circunferencial, psi P = presin interna, psi D = dimetro exterior, pulgadas W = espesor, pulgadas

Donde: P = parmetro de Larson-Miller. T = temperatura, F t = tiempo de rotura, hDonde t y tf son respectivamente el tiempo de operacin y el tiempo de falla para una combinacin especfica de esfuerzo y temperatura, y (t/tf)i es la fraccin de vida a la cual el tubo soporta una determinada condicin de esfuerzo y temperatura EJEMPLO 1 EJEMPLO 2

(a)Grafitizacin en aceros al carbono en tubo de caldera. (a) microestructura original, mezcla de ferrita y perlita. (b) Microestructura de grafitizacin, ferrita y grafito, 500X (b)

Erosin por gases de combustin. La reduccin de espesor avanza a tal extremo que causa una perforacin.

Ondulaciones causadas por erosin sobre la superficie en contacto con los gases de combustin. Estas son paralelas entre si y perpendiculares a la direccin del flujo de los gases.

Tubo erosionado por el vapor que se fugaba de un tubo adyacente. En la zona erosionada no existe la presencia de xidos significativos.

La oxidacin es parablica con el tiempo; esto es, el espesor del depsito de xido X es proporcional a la raz cuadrada del tiempo t :El hierro reacciona con el vapor para formar el xido de hierro Fe3O4, magnetita, de acuerdo con la reaccin qumica:

Representacin esquemtica de desgaste contra temperatura.Donde X es el espesor del xido en milmetros.

Por ejemplo:Reaccin andica (corrosin) :Reacciones catdicas o de reduccin tpicas:

Proceso de oxidacin. (a) oxidacin normal (b) Oxidacin acelerada al agotarse el oxgeno.(a)(b)

Proceso de corrosin debido a aguas contaminadas. (a) oxidacin normal (b) Corrosin acelerada al agotarse el oxgeno y al combinarse con los contaminantes del agua.(a)(b)

(a)(b)Picaduras localizadas por oxgeno. (a) Varias picaduras localizadas en un tubo en U. (b) Picadura profunda que perforo el tubo

Fatiga-corrosin. Los xidos dentro de la grieta aceleran su crecimiento.

4H + Fe3 C CH4 + 3Fe2HCl + Fe + + 2FeCl + 2H

Depsitos en la superficie interior y exterior de tubo de caldera: Estos depsitos son frgiles y se desprenden con facilidad. Depsitos porosos pueden actuar como una trampa de impurezas corrosivas.DPOSITO

METAL

CURVA DE TERMOFLUENCIA (CREEP)

CAUSAS DE FALLAS (Riley Stoker Corp.)Mecnicas = 81%Corrosin = 19%

1. Temperatura elevada por un tiempo corto2. Temperatura alta por tiempo prolongado (termofluencia)3. Fatiga trmica, corrosin fatiga4. Corrosin por ceniza5. Dao por hidrgeno6. Erosin7. Picado por oxgeno8. Agrietamiento por corrosin esfuerzo9. Falla en soldadura10. Ataque custico

ESFUERZO ADMISIBLE DE DISEO (ASME) 1. Un cuarto de la resistencia a tensin a temperatura ambiente.2. Un cuarto de la resistencia a tensin a temperatura elevada3. Dos tercios de la resistencia a fluencia a temperatura ambiente4. Dos tercios de la resistencia a fluencia a temperatura elevada5. En el intervalo de termofluencia: (a) el esfuerzo que causa un 1% de deformacin en 100 000 h, o (b) los dos tercios del esfuerzo que produce la rotura en 100 000 h

MECANISMOS DE FALLA (Electric Power Research Institute)

1. Degradacin de la microestructura (cambios de microestructura preceden a fallas por termofluencia)

2. Desgaste de metal por oxidacin, corrosin, y erosin

3. Fallas en soldaduras

4. Fatiga ( fatiga trmica, corrosin fatiga)

5. Errores humanos, mantenimiento pobre

DESGASTE ADMISIBLE DE TUBOSCuando ocurre desgaste se reduce el espesor y por lo tanto aumenta el esfuerzo, dado que

Donde D = dimetro exterior, p = presin, h = espesor, Rm = radio medio y Ri = radio interior Suponiendo un desgaste por erosin en el lado de gases, y considerando un esfuerzo mximo admisible, S = SU / FS , de la ecuacin anterior, el espesor mnimo admisible ( hmin ) es

Ejemplo: Dex = 2,75 in, ho = 0,29 in, Su = 60 000 psi , FS = 2,5 y

p = 2600 psig

LMITES DE OXIDACIN(Riley Stoker Corp.)

MATERIAL (ACERO)ESPECIFICACIN ASME TPICATEMPERATURA(0C)Acero al carbonoSA 178, SA 210, SA 192 454Acero carbono + MoSA 209 T14821 Cr MoSA 213- T115522 Cr 1 MoSA 213 T2257918 Cr 10 NiSA 213 321H816

PROBLEMAS OPERACIONALES QUE CONTRIBUYEN A FALLAS PREMATURAS DE TUBOS *FUNCIONAMIENTO CON PEQUEAS FUGAS DE VAPOR O AGUA. Escape de vapor puede causar erosin de tubos adyacentes lo cual puede conducir a una falla.

CAMBIOS DE CARGA A UNA RATA MAYOR A LA ESPECIFICADA. Esto puede causar esfuerzos adicionales y fatiga trmica de algunos componentes.

TRATAMIENTO DE AGUA DE MENOR CALIDAD A LA ESPECIFICADA.

OPERACIN CON UN NIVEL DE AGUA BAJO

CAMBIO A UN COMBUSTIBLE FUERA DE ESPECIFICACIN

*D. N. French, Metallurgical Failures in Fossil Fired Boilers

FALLA POR EROSIN POR FUGA DE VAPOR EN TUBO ADYACENTE

GRITAS DE FATIGA NUCLEADAS EN PICADURAS DE CORROSIN

TEORA DE EVALUACIN DE VIDA RESIDUAL

Donde X el espesor del depsito interno (mils), T es la temperatura promedio de operacin (F), y t el tiempo de operacin ( h )

El esfuerzo se calcula en el punto de menor espesor

ESTIMACIN DE LA TEMPERATURA MEDIA DE OPERACIN EN UNA FALLA POR TERMOFLUENCIA DE UN TUBO DE SOBRECALENTADOREJEMPLO. Estimar la temperatura media de falla de un tubo de sobrecalentadorEspecificaciones del tubo: Acero SA-213 T22, Do = 2 in. , ho = 0,315 in.Tiempo de operacin, t = 113 000 h , dimensiones en el rea de falla, D = 2,085 in., h = 0,230 in. , Espesor de depsito en la superficie interior, X = 13,4 mils Temperatura de salida del vapor = 1005 0F. Presin de operacin 2600 psi.Reemplazando valores correspondientes en la ecuacin anterior, la temperatura media del proceso de falla es 1060 0F. Nota. El esfuerzo inicial para el tubo nuevo es 6950 psi, y el esfuerzo justamente antes de la falla es 10500 psi.

FIN DE LA PRESENTACION

En un diseo se establece un tiempo de rotura por termofluencia (creep) de 100000 horas para una temperatura de 1000F. Cuando se aumenta la temperatura de operacin a 1100F, manteniendo constante la presin, cual es la vida estimada de servicio a estas nuevas condiciones?El parametro de Larson-Miller para las condiciones de diseo, suponiendo que el material es un acero SA-213 T-22:Para una temperatura de servicio de 1100F se tiene que:Como se puede observar la vida estimada de servicio se reduce un 97.5%

TUBO DE UN SOBRECALENTADOR

Material: SA-213 T-22.Dimetro exterior: 1.75 (44.45 mm).Espesor: 0.3 (7.62 mm).

CONDICIONES DE OPERACINCon este esfuerzo y la grafica para el acero SA-213 T-22 se calcula el parmetro de Larson-Miller (PLM) .

CondicinT (F)S (psi)tw (h)1100011600432002110012567720

CondicinS (psi)PLM1116003680021256736600

Luego teniendo en cuenta el parmetro de Larson-Miller (PLM) y la temperatura de operacin se calcula el tiempode falla ( ), segn la siguiente expresin:A continuacin se calcula el porcentaje de desgaste teniendo en cuenta el tiempo de operacin a cada una de las condiciones:

CondicinT (F)PLM , (h)110003680016050021100366002895

Condicintw (h)(h)tw /1432001605000.27272028950.25

La vida residual de la tubera, funcionando nuevamente a la condicin 1 es: